研究人员开发出新型量子临界金属有望推动电子设备的发展

莱斯大学的QimiaoSi领导的一项新研究发现了一种新型量子临界金属，揭示了量子材料中电子的复杂相互作用。该研究于9月6日发表在《物理评论快报》上，探讨了近藤耦合和手性自旋液体在特定晶格结构中的影响。

“从这一发现中获得的见解可能导致开发具有极端灵敏度的电子设备，这种设备是由量子临界系统的独特性质驱动的，”哈里C.和奥尔加K.维斯物理学和天文学教授兼莱斯极端量子材料联盟主任Si说。

量子相变

这项研究的核心是量子相变的概念。就像水在固态、液态和气态之间变化一样，量子材料中的电子可以随着环境的变化在不同相之间转换。但与水不同的是，这些电子遵循量子力学的规则，从而导致更复杂的行为。

量子力学引入了两个关键效应：量子涨落和电子拓扑。即使在绝对零度下，热涨落消失，量子涨落仍然会引起电子组织的变化，从而导致量子相变。这些转变通常会导致称为量子临界性的极端物理特性。

此外，量子力学赋予电子与拓扑相关的独特属性，拓扑是一种数学概念，当应用于电子状态时可以产生不寻常的、潜在有用的行为。

这项研究由Si的研究小组与这项研究的合著者、维也纳技术大学物理学教授SilkePaschen及其研究团队长期合作完成。他们共同开发了一个理论模型来探索这些量子效应。

理论模型

研究人员考虑了两种类型的电子：一种电子移动缓慢，如堵在路上的汽车;另一种电子在快车道上快速移动。虽然慢速移动的电子看起来是静止的，但它们的自旋可以指向任何方向。

“通常情况下，这些自旋会形成有序的模式，但它们在我们的模型中所处的晶格并不允许这种整齐的排列，从而导致几何失灵，”Si说。

相反，自旋会形成一种更流动的排列，称为量子自旋液体，它具有手性，可以随时间选择一个方向。当这种自旋液体与快速移动的电子结合时，就会产生拓扑效应。

研究小组发现，这种耦合还会引发向近藤相的转变，其中慢电子的自旋锁定在快电子上。该研究揭示了电子拓扑和量子相变之间的复杂相互作用。

通常的电力输送

当电子经历这些转变时，它们的行为会发生巨大的变化，特别是它们导电的方式。

帕申说，其中最重要的发现之一是霍尔效应，它描述了电流在外部磁场的影响下如何弯曲。

“霍尔效应包含一个由电子拓扑结构促成的成分，”她说，“我们表明，这种效应在量子临界点上经历了一次突然跃迁。”

对未来技术的影响

这一发现推进了我们对量子材料的理解，为未来技术开辟了新的可能性。Si表示，研究小组发现的一个重要部分是霍尔效应对量子相变有显著的响应。

他说：“由于拓扑结构，这种反应在微小的磁场中发生。”

这些不寻常的特性可能促进新型电子设备的开发，例如具有极高灵敏度的传感器，这可能会彻底改变医疗诊断或环境监测等领域。

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